Возобн. источн. энерг. Тексты лекций. Курс лекций для студентов специальности энергоэффективные технологии и энергетический менеджмент Минск 2009 удк620. 9(042. 4)
 Скачать 6.34 Mb.
|
|
Парниковый эффект. Атмосфера включает четыре области по высоте (рис. 2.2): тропосферу от 0 до 10–12 км с падением температуры до –550С; стратосферу от 10–12 до 50–55 км с ростом температуры до 00С; мезосферу от 50–55 до 80–90 км с падением температуры до –900С; термосферу простирающуюся от 80–90 км до 200–300 км с ростом температуры. Каждая зона атмосферы завершается областью постоянной температуры: тропопаузой, стратопаузой и мезопаузой. Газы накапливаются в верхних слоях тропосферы и стратосферы. Средняя температура поверхности Земли составляет около 14С, что примерно на 40С выше температуры атмосферы. Излучение поверхности Земли происходит в инфракрасном излучении, при этом атмосфера является теплоизоляционным экраном – не пропускает инфракрасное излучение в космос, но пропускает коротковолновое солнечное излучение к поверхности Земли. Атмосфера и поверхность Земли нагреваются, пока уходящие потоки энергии не уравняются с приходящими. Это явление представляет собой парниковый эффект, который сопровождается нагревом тропосферы и охлаждением стратосферы.  Рис. 2.2. Распределение температуры по высоте атмосферы Это приводит к тому, что температура убывает от поверхности Земли незначительно (100 м над уровнем земли уменьшает температуру на 0,4С). Если бы отсутствовал парниковый эффект, то температура убывала бы значительно быстрее – в двух метрах от земли всегда были бы отрицательные температуры. Изменение состава атмосферы может привести к значительному изменению распределения температурного поля и, как следствие, к нарушению экологического равновесия Земли. 2.1.3. Оптимальная ориентация приемника Потоки солнечной энергии различают нормальные, на горизонтальную и приемную площадки. Это в равной мере относится как к прямому, так и к рассеянному излучению. Если известна плотность потока  в нормальном направлении, легко определить действительный поток на площадку другой ориентации. Горизонтальную или приемную  где z и – соответственно угол между потоком излучения и вертикалью, и нормалью к поверхности приемника. Облученность солнечным излучением приемника за время dt представляет собой интегральную сумму всех компонент излучения:  .Косинус данного угла определяется по формуле  ,где  ,  ,  ,  ,  ; – угол наклона между приемной площадки к горизонтальной плоскости (рис. 2.3.); – азимут, угол между проекцией на горизонтальную плоскость нормали к поверхности приемника и меридианом ( = 0, если поверхность направлена строго на юг),  – склонение, угол между направлением к солнцу и экваториальной плоскостью,  , n – номер дня года ( – 22 июня,  – 22 декабря);  – часовой угол, угол поворота Земли с момента солнечного полдня,  – солнечное время, ч; – широта, на которой находится солнечный приемник.Если расположить приемник строго на юг ( = 0), с наклоном равным широте ( = ), то формула определения угла направления солнечного излучения значительно упрощается  .Желательно приемник делать регулируемым, так чтобы обеспечивать угол падения равным нулю. Однако поскольку это значительно удорожает систему поглощения солнечного излучения, то экономически целесообразно использовать фиксированное расположение приемника при условии выполнения следующих рекомендаций: расположение приемника нужно выбирать в зависимости от того, когда нужно регулярно получать больший поток тепла – утром или днем, в течение года угол падения в полдень значительно меняется и возникает необходимость регулировать угол наклона приемника , поскольку  при  , то изменение азимута или угла наклона на  слабо повлияет на собранную теплоту.  Рис. 2.3. Схема расположения приемника солнечного излучения относительно Солнца и Земли Установлены оптимальные углы наклона рабочей поверхности коллектора южной ориентации к горизонту: при сезонном использовании (с апреля по сентябрь) – 39°, для зимы – 73°, для лета – 34°, для всего года (при круглогодичном использовании) – 54°. Определены также данные почасовых значений оптимальных углов и азимуты рабочей поверхности при азимутальном слежении за Солнцем. Рекомендуется следящие коллекторы ориентировать на 10 – 15° западнее южного направления. Солнечное излучение характеризуется числом часов солнечного сияния, которое зависит от погодных условий и продолжительности дня между восходом и закатом. Продолжительность солнечного дня можно приблизительно определить по формуле:  .Для Беларуси (54 северной широты) продолжительность солнечного дня меняется от 17 часов в период летнего солнцестояния до 7 часов в период зимнего солнцестояния. Продолжительность солнечных часов в год для Беларуси составляет около 4400 часов. Однако из-за пасмурных погодных условий число часов солнечного сияния в год составляет 1748–1872 ч в зависимости от региона. Тем не мене, такая же величина характерна для Швеции, где солнечная энергетика имеет достижения и поддерживается государством. Минимальное число дней без солнца приходится на июль (1–2 дня). Напротив, в декабре их число составляет наибольшее количество (19–22 дня). В среднем в течение года в Беларуси наблюдается 28 ясных дней, 170 дней с переменной облачностью, 167 пасмурных дней. Наиболее благоприятный период в Беларуси для использования солнечной энергии в гелиосистемах – май–сентябрь. В течение этого периода продолжительность солнечного сияния равна примерно 1200–1400 часам, что составляет 67–71% годовой суммы. Сравнительный анализ показывает, что Минск по продолжительности солнечного сияния имеет близкие значения, а по приходу среднемесячной солнечной радиации даже превосходит Германию, Швецию и Англию, считающимся европейскими лидерами по выпуску и применению гелиотехнического оборудования. Достоинства солнечной энергии это ее неисчерпаемость, даже при небрежном отношении к ней. Недостатки: зависимость интенсивности излучения не только от времени суток, времени года, но и от погодных условий. слабая плотность солнечного излучения. Например, для РБ, чтобы снять потребную для одного человека 2 кВт энергии при КПД=20% потребуется около 100 м2 площади земной поверхности покрыть теплоприемниками. При норме жилой площади на человека 20 м2. Существует пять основных способа использования солнечной энергии: тепловой – заключается в подогреве воздуха, воды или материалов (сушка); фотоэлектрический – заключается в преобразовании энергии солнечных лучей в электрическую энергию; биологический – основывается на способности растений путем фотосинтеза превращать солнечную энергию в химическую; химический – заключается в использовании процессов разложения и синтеза веществ под действием солнечных лучей (разложение воды на водород и кислород); прямой – для освещения (окна с жалюзи, световой фонарь, специальное остекление, световой люк, коллектор с распределительным световодом). 2.2. Тепловой способ использования солнечной энергии Преобразование солнечной энергии в тепловую обеспечивается за счет способности атомов вещества поглощать электромагнитное излучение. При этом энергия электромагнитного излучения преобразуется в кинетическую энергию атомов и молекул вещества, то есть в тепловую энергию. Результатом этого является повышение температуры тела. Преобразование солнечной энергии в тепловую обеспечивается системами солнечного отопления. Их характерным отличием от других систем отопления является применение специального элемента – гелиоприемника, предназначенного для улавливания солнечной радиации и преобразования ее в тепловую энергию. По способу использования солнечного излучения системы отопления подразделяют на пассивные и активные. Пассивными называются системы солнечного отопления, в которых элементом, воспринимающим солнечное излучение является само здание или его отдельные ограждения (здание-коллектор, стена-коллектор, кровля-коллектор и т. п. (рис. 2.4)).  Рис. 2.4. Пассивная низкотемпературная система солнечного отопления «стена-коллектор»: 1 – лучепрозрачный экран, 2 – черная лучевоспринимающая стена (аккумулятор), 3 – воздушная заслонка Идея пассивной отопительной солнечной системы состоит в выборе такой приемной площадки обращенной к Солнцу, чтоб получить оптимальное количество солнечного тепла для данной строительной конструкции. Недостатком пассивных солнечных систем может являться то, что в таком доме может быть слишком жарко в течение дня, но прохладно ночью. На практике пассивные отопительные системы функционируют намного лучше, если осуществляется принудительная циркуляция воздуха с помощью вентиляторов. Активными называются системы солнечного отопления, в которых гелиоприемник (гелиоколлектор) является самостоятельным отдельным устройством заполненный теплоносителем. 2.2.1. Гелиоколлектор Основным элементом солнечной нагревательной системы является гелиоколлектор, в котором происходит поглощение солнечного излучения и передача энергии теплоносителю. Гелиоколлектора делятся на плоские и фокусирующие. Наиболее распространенными являются плоские (нефокусирующие) приемники, позволяющие собирать как прямое, так и рассеянное излучение и в силу этого способные работать также и в облачную погоду. Плоские гелиоколлектора делятся на простые, которые содержат весь объем жидкости, которую необходимо нагреть и проточные, которые нагревают за определенное время только небольшое количество жидкости, которая затем, как правило, накапливается в отдельном резервуаре. На рис. 2.5 представлены различные варианты приемников солнечного излучения.  Рис. 2.5. Последовательность приемников солнечного излучения в порядке возрастания их эффективности и стоимости Простые гелиоколлектора делятся на следующие виды: – открытый резервуар на поверхности земли (рис. 2.5, а) –простейший нагреватель воды (например, бассейн). Повышение температуры воды ограничено высоким коэффициентом отражения поверхности воды, теплоотдачей к земле и воздуху, затратой части поглощенного тепла на испарение воды. – открытый резервуар, изолированный от земли (рис. 2.5, б). Повышение температуры воды ограничено высоким коэффициентом отражения поверхности воды, теплоотдачей к воздуху (конвекцией и излучением), теплоотдачей к земле, затратой части поглощенного тепла на испарение воды. – черный резервуар с теплоизолированным дном (рис. 2.5, в). Жидкость заключена в емкости с черной матовой поверхностью, обычно располагаемой на крыше здания. Потери тепла на испарение отсутствуют, коэффициент поглощения черной поверхности близок к единице. Нагреватели этого типа достаточно недороги, просты в изготовлении и позволяют нагревать воду до температуры около 45 0С. Очень широкое распространение получили в Японии, Израиле. Параметры нагревателя ограничены тепловыми потерями с поверхности, особенно их увеличением в ветреную погоду. – закрытый черный гелиоколлектор (рис. 2.5, г). Для исключения теплоотдачи от приемника в воздух, особенно в ветреную погоду, емкость нагревателя помещается в контейнер с прозрачной для солнечного излучения крышкой. Большинство прозрачных сред пропускают лучи выборочно (селективно), то есть их пропускная способность зависит от длинны волны падающего излучения. Лучшим материалом для крышек является стекло, т. к. оно довольно дешево и имеет коэффициент пропускания излучения в диапазоне 0,5–1 мкм около 0,85, и практически полностью отражает излучение при длине волны более 5 мкм. Следовательно, стекло хорошо пропускает солнечное излучение и практически не пропускает излучение поглощающей панели гелиоколлектора. Единственным недостатком стекла является его хрупкость, приводящего к его бою в результате температурных деформаций каркаса гелиоколлектора до 5% в год. Поэтому используются также контейнеры для гелиоколлектора из пластика, имеющие подобные стеклу оптические свойства, но менее хрупкие. Проточный гелиоколлектор представляет собой систему, в которой вода протекает по параллельным трубкам, закрепленным на поглощающей панели (рис. 2.6).  Рис. 2.6. Плоский солнечный коллектор: 1 – остекление; 3 – тепловоспринимающая поверхность; 4 – теплоизоляция Основными элементами плоского проточного солнечного коллектора являются: корпус, где расположена поглощающая панель 1 с каналами для теплоносителя, на поверхность которой нанесено покрытие, обеспечивающее поглощение не менее 90% падающего солнечного излучения; прозрачная теплоизоляция 2, снижающая потери в окружающую среду через верхнюю поверхность коллектора; непрозрачная тепловая изоляция 3, снижающая потери в окружающую среду через днище коллектора и его боковые грани. В коллекторе падающее солнечное излучение преобразуется в теплоту, отводимую потоком теплоносителя (вода, антифриз, воздух и др.), протекающим по каналам поглощающей панели. Прозрачная изоляция снижает конвективные и лучистые потери теплоты от поглощающей панели в атмосферу, вследствие чего возрастает производительность коллектора. КПД такого коллектора составляет около 70%. Под действием солнечной радиации тепловоспринимающие панели разогреваются до температур 70–80°С, превышающих температуру окружающей среды, что ведет к возрастанию конвективной теплоотдачи панели и ее собственного излучения в окружающую среду. Плоские солнечные коллекторы используют в коммунально-бытовой сфере для горячего водоснабжения и отопления жилых и общественных зданий, в сельскохозяйственном производстве при переработке и хранении продукции, в технологических процессах, требующих невысоких температур (до 100 С), для подогрева воды в плавательных бассейнах. Тепловой баланс гелиоколлектора Рассмотрим основные параметры, характеризующие взаимодействие тел с излучением. Коэффициент поглощения  (поглощательная способность) тела – отношение потока излучения поглощаемого поверхностью тела, к потоку излучения, падающему на эту поверхность.Коэффициент отражения (отражательная способность) тела – отношение потока излучения, отраженного поверхностью тела, к потоку, падающему на эту поверхность. Для поверхностей, которые рассеивают падающее солнечное излучение, эту величину также называют альбедо. Коэффициент пропускания (пропускательная способность) тела – отношение потока излучения, пропускаемого телом, к потоку, падающему на это тело. Коэффициент поглощения, отражения и пропускания зависят от температуры тела, частоты (или длины волны) излучения, а также от природы тела, состояния поверхности тела. Для любого тела  .Тело, для которого коэффициент поглощения равен единице, называется абсолютно черным телом. Оно поглощает все падающее на него излучение. Коэффициент излучения (степень черноты) тела – отношение потока собственного интегрального излучения данного тела к потоку интегрального излучения абсолютно черного тела при той же температуре. Суммарный тепловой поток, поступающий к теплоносителю, определяется балансом  ,где  ,  – поглощенный поток и тепловые потери приемника, соответственно.Поток солнечного излучения, поглощаемой панелью приемника, составляет  ,где  – коэффициент пропускания прозрачного покрытия, защищающего приемную поверхность от солнца (0,8–0,9);  – коэффициент поглощения приемной поверхности;  – площадь освещенной поверхности;  – плотность солнечного потока.В процессе поглощения температура приемной поверхности повышается. Превышение температуры поглощающей панели tп над температурой окружающей среды tо.с приводит к потери тепла от приемника  ,где R – термическое сопротивление приемника, зависящие от теплоизоляции приемника и от покрытия;  ,  – коэффициенты теплоотдачи от теплоприемника окружающей среде излучением и конвекцией.Полезный тепловой поток, поступающий к теплоносителю, определяется через уравнение теплопередачи  ,где  – коэффициент теплопередачи от внешней поверхности поглощающей панели к энергоносителю; , ,  – толщина, коэффициент теплопроводности и коэффициент теплоотдачи поглощающей панели,  – средняя температура энергоносителя,  – площадь внутренней поверхности поглощающей панели.С другой стороны полезный тепловой поток можно определить через тепло поглощенное теплоносителем. При нагревании статической массы жидкости  ,при нагревании протекающей жидкости  ,где tв1 , tв2 – температура втекающей в приемник и вытекающей из него жидкости, G – расход протекающей жидкости, cв – теплоемкость теплоносителя. Максимальная температура теплоносителя, достигаемая в гелиоколлекторе определяется из условия  . Тогда .Откуда находим максимальную температуру теплоносителя  .КПД гелиоколлектора определяется по формуле:  ,где  – оптический КПД, учитывающий потери гелиоколлектором на отражение солнечного излучения и его поглощение прозрачным покрытием (0,78 – 0,85); k1 – коэффициент тепловых потерь конвекцией (1,2 – 4,2), k2 – коэффициент тепловых потерь излучением (0,0073 – 0,0130);  – разность температур коллектора и окружающей среды. В результате КПД гелиоколлектора в зависимости от условий эксплуатации изменяется от 70% до 30%. Характеристики гелиоколлектора могут быть улучшены за счет: уменьшения конвективных потоков между поглощающей панелью и прозрачной теплоизоляцией, если поместить еще одну дополнительную теплоизоляцию (двойное остекление приводит к уменьшению тепловых потерь через прозрачную изоляцию, но одновременно, уменьшает и плотность потока излучения падающего на поглощающую панель); использования вакуумированных приемников, в которых заполненная жидкостью черная трубка помещается внутри наружной стеклянной трубки и в пространстве между ними создается вакуум (вакуумирование исключает конвективный перенос тепла через наружную поверхность); уменьшения радиационных потерь от пластины и достижения более высоких температур теплоносителя, если на поверхность нанести спектрально-селективное покрытие, активно поглощающие коротковолновое излучение солнца и снижающие собственное тепловое излучение в длинноволновой части спектра. |